Вплив гігантських хвиль на безпеку морського видобутку
і транспортування вуглеводнів
Сергій Бадулін, к.ф.-м.н., Андрій Іванов, к.ф.-м.н.,
Олександр Островський, к.м.н., Інститут океанології ім. П.П. Ширшова РАН
Бурхливий
розвиток космічних та інформаційних технологій останніх років дозволило
отримати незаперечні свідчення, що підтверджують існування гігантських
хвиль (або так званих «хвиль-убивць») в океані. Географія поширення,
частота появи і велика руйнівна здатність гігантських хвиль можуть у
докорінно змінити підходи до стандартів безпеки будівництва і експлуатації
морських нафтових платформ і танкерів.
В
1-й частині статті фахівці Інституту океанології аналізують випадки
спостереження і наслідки впливу зазначених хвиль на об'єкти морського видобутку і
транспортування УВС, обговорюють фізичні механізми, що приводять до їх появи,
наводять результати математичного моделювання. На основі цієї інформації
можна буде розробити методи прогнозування утворення таких хвиль,
виробити дієві заходи щодо мінімізації ризиків їх впливу на морські
платформи і суду.
В
1840 під час своєї експедиції в Південний океан французький мореплавець Дюмон
Дюрвіль спостерігав незвичайну гігантську хвилю заввишки близько 35 м. Його повідомлення
на засіданні французької академії викликало дружний сміх. Ніхто з академіки не
міг повірити в те, що такі хвилі можуть існувати.
Бурхливий
розвиток мореплавства і морського будівництва в наступні півтора століття
надало численні свідоцтва існування незвичайних гігантських
хвиль, подібних до тієї, що спостерігав Дюрвіль, - хвиль-убивць. Хвилі-вбивці всерйоз
зацікавили дослідників після зникнення британського 295-метрового
суховантажу «Дербішір» і всього його екіпажу в складі 44 чоловік біля берегів Японії
в 1980 р. Деякі випадки появи хвиль-убивць були описані в [1] і в
популярному американському журналі «New Scientist» [2].
Тільки
за 25 років (1969-1994 рр..) в Тихому й Атлантичному океанах 22 супертанкера були
втрачені або серйозно пошкоджено при зустрічі з хвилями-вбивцями (див. фото 1 і
2). При цьому загинули 525 чоловік. 12 аналогічних випадків було зареєстровано
в Індійському океані [3]. За даними агентства Ллойда, з 1973 р. по 1989 р.
зазнали катастрофи 495 танкерів, з яких 86 водотоннажністю більш ніж 100 тис. т,
при цьому в 25,6% випадків причиною аварій була штормова погода [4].
Морські
нафтові платформи також схильні до ризиків впливів аномальних хвиль.
Експерти вважають, що саме хвиля-вбивця зруйнувала бурову вишку компанії
Mobil Oil в районі Великої Ньюфаундлендська банки в 170 милях від порту
Сент-Джонс (Канада) 15 лютого 1982 Гігантська хвиля розбила ілюмінатори і
затопила пульт керування, після чого вишка перекинулася і затонула, забравши
життя всіх 84 буровиків. У 1995 р. плавуча бурова «Веслефрік В» компанії
Statoil була серйозно пошкоджена хвилею-вбивцею. Міцний корпус морської
платформи «Шіхальон» (компанія BP Amoco), конструкція якої за розрахунками
повинна була витримувати удари стихії при швидкості вітру 130 км/ч, був сильно
пошкоджений хвилею 9 листопада 1998 при швидкості вітру 110 км/ч.
Нещодавно
Європейське космічне агентство (ESA) підготував доповідь, у якій стверджується,
що хвилі-вбивці зустрічаються в океані значно частіше, ніж це передбачалося
раніше. Цей висновок, підтверджений незалежними вимірами хвиль в Південній
Атлантиці [5], може докорінно змінити підхід до стандартів безпеки
будівництва та експлуатації морських нафтових платформ і танкерів. На думку
відомого норвезького експерта С. Хавер [1], висота хвилі-вбивці може на
10-20% перевищувати поріг, заданий статистичними даними про хвилювання, який
враховується при будівництві нафтових платформ. Ще більш категорично
висловився авторитетний британський експерт у галузі суднобудування Д. Фолкнер,
стверджуючи, що часто використовуються при будівництві судів критерії екстремальної
висоти лінійної хвилі в 10,75 м і максимального навантаження в 26-60 кН/мм2
абсолютно неадекватні і не забезпечують безпеку на морі в умовах
впливу катастрофічних хвиль.
Хвилі-вбивці
стали предметом уваги для багатьох міжнародних організацій, що займаються
проблемами безпеки суден та морських споруд, таких як International
Association of Classification Societies [6]. Технічні норми і стандарти
безпеки, що розробляються цими організаціями, носять, як правило,
рекомендаційний характер для відповідних національних інститутів. Разом з
тим деякі національні організації в останні роки переглядають свої
підходи до проблем безпеки в морі і переходять від стандартів «найбільш
ймовірна небезпека »до стандартів« можливий ризик »[6]. Комітет з науки і
технологіям Палати лордів Великобританії прийняв рішення «слідувати в міру
можливості насамперед експлуатаційним (у розрахунку на максимально можливі
експлуатаційні навантаження. - Прим. авт.) стандартам, але не розпорядчим
(заснованим на прецедент. - Прим. авт .)».
Прогнозований
на найближчі 25 років істотне зростання обсягу морських перевезень і морського
будівництва (US Department of State, Blue Water Project-2003) пред'являє
особливі вимоги до якості прогнозу стану моря та оцінки ризиків для
стаціонарних морських споруд і морських судів.
Хвилі-вбивці - спроба дати визначення
Сам
термін «хвиля-вбивця» і його аналоги в інших мовах (англ. «rogue wave» --
хвиля-розбійник, «freak-wave» - хвиля-придурок, отморозок; фр. - «Onde
scеlеrate »- хвиля-лиходійка,« galеjade »- погана жарт, розіграш) дають хороше
уявлення про істотних рисах цього природного явища, передають почуття
жаху і приреченості при зустрічі з такою хвилею. Принаймні емоційний
визначення виглядає більш точним і більш змістовним з практичної точки
зору, ніж формальне визначення, яке прийняте приводити в науковій
літературі.
Хвилі-вбивці
часто визначаються як хвилі, висота яких більш ніж у два рази перевищує
значиму висоту Hs (Hs - середня висота однієї третини найвищих хвиль).
Припускаючи, що ймовірність випадкових підвищень морської поверхні P (H)
підпорядковується Релеєвське розподілу:
P (H)
= Exp (-2H/Hs), неважко показати, що такі хвилі можуть з'являтися досить
часто. Хвилею-вбивцею, для якої:
Hf
> 2Hs, (1)
буде
приблизно кожна з 3000 хвиль. При характерному періоді вітрових хвиль це
відповідає приблизно 8-9 годин. Імовірність аномальних хвиль сильно залежить від
їх амплітуди і вже для:
Hf
> 3Hs (а спостерігаються і набагато більш високі хвилі) час очікування
складає більше 20 років.
Наведене
визначення відноситься швидше до хвиль аномально великої амплітуди (в порівнянні
з середньою). «Справжні» хвилі-вбивці, що представляють небезпеку для судів і
морських споруд, мають великі абсолютні амплітуди. Але й це уточнення не
є остаточним. Деякі експерти [1] пропонують виділяти
«Класичні аномальні» хвилі, тобто хвилі великою амплітудою, які можуть
бути передбачені в рамках теорії однорідних квазістаціонарних квазігауссових
випадкових процесів і, власне, хвилі-вбивці, імовірність появи яких
може бути істотно вище і не описується існуючими теоріями випадкових
процесів.
Більшість
дослідників та експертів з питань безпеки в море ідуть подібного
розділення хвиль великої амплітуди на «класичне хвильовий населення» і особливу
«Популяцію морських хвиль-убивць». «Класичні» екстремальні хвилі не
представляють особливої проблеми, оскільки їх вірогідність може бути передбачена.
При загальноприйнятих стандартах безпеки допустимим вважається перевищення
розрахункових навантажень 1 раз на 25 років для морських суден та 1 раз на 100 років для
стаціонарних морських споруд (див. [1,6]). Відповідно, допустима
ймовірність зустрічі з «класичними» хвилями аномально великих амплітуд
приймається при проектуванні рівній 10-4-10-5 (один інцидент за 10-100 тис.
років). Недавні дослідження показують, що ймовірність появи
«Некласичних», «справжніх» хвиль-убивць при цьому може бути на порядок вище (1
інцидент у 1000 років). У зв'язку з цим пропонується переглянути існуючі критерії
безпеки судів і споруд. Такі критерії не можуть бути отримані «в лоб»
за даними спостережень (очевидно, ніхто не має в своєму розпорядженні експериментальними
хвильовими записами довжиною «хоча б» 1000 років). Основою можуть служити або
теоретичні моделі, або альтернативні методи спостережень хвиль-убивць, перш
всього супутникові, що дозволяють одержувати дані високої якості на великих
акваторіях.
Дослідницька функція морських платформ.
«Новорічна хвиля»
Серйозні
труднощі досліджень хвиль-убивць пов'язані з нестачею або низькою якістю
даних спостережень. Досить імовірно, французькі академіки, сміялися над
повідомленням Дюмон Дюрвіля, були частково мають рацію, не повіривши в існування
35-метрової хвилі. Вимірювання, вироблені з суден, які містять великі похибки,
пов'язані з качко і несподіванкою появи хвиль-убивць. Масштабне
будівництво морських бурових платформ зробило можливим проведення
систематичних, довгострокових і більш точних вимірювань морського хвилювання.
Більше того, проведення таких вимірювань та вільний доступ до результатів жорстко
наказувалося урядовими контролюючими органами для всіх
нафтовидобувних компаній. Це правило строго дотримувалися до 80-х років. У міру
вдосконалення технологій проектування та будівництва дослідна
функція морських платформ забувалася. В даний час доступ до хвильовим
записів на морських платформах утруднений; відповідна інформація є
власністю компаній.
Саме
завдяки спостереженнями з нафтової платформи вдалося отримати перші точні
виміру хвилі-вбивці - знаменитої хвилі «Дропнер», або «Новорічної хвилі»
[7,8]. Вимірювання хвилювання вироблялися на нафтовидобувній платформі «Дропнер»
компанії Statoil в Північному морі за допомогою стандартного лазерного волномера,
вимірювального коливання рівня моря з частотою 2,33 Гц; 20-хвилинний фрагмент
запису показано на рис. 3. Волномер був встановлений на повній ям
допоміжної вишці, з'єднаної мостом з жилої частини платформи (рис. 3,
врізка).
В
умовах сильного шторму протягом декількох годин після полудня 1 січня 1995
р. спостерігалися хвилі з визначеною висотою 11-12 м. У відповідності з відомими
статистичними теоріями, при такому хвилюванні можна було б очікувати, що
максимальний перепад між гребенем і западиною хвилі складе приблизно 20 м
(близько двох значимих висот хвилі). Проте раптово на платформу обрушилася
значно більш потужна хвиля, піднесення якій над середнім рівнем моря
склало 18,6 м, а розмах (перепад западина-гребінь) перевищив 25 м.
Вельми
показово, що персонал платформи під час шторму суворо дотримувався всіх
правилами безпеки. На платформі був тимчасово припинений видобуток нафти,
припинені палубні роботи. Близько полудня на нежилу вишку, де було
встановлено вимірювальне обладнання, була організована вилазка для того,
щоб вирішити питання про необхідність додаткового захисту або демонтажу цієї
обладнання на час шторму. У нараді брав участь експерт Statoil С. Хавер,
який провів оцінку ймовірності пошкодження обладнання для умов шторму за
урахуванням діючих норм будівництва та експлуатації морських платформ [9]. На
підставі цієї оцінки і було ухвалено рішення залишити обладнання на
платформі. Через 3 години обладнання було змито інший хвилею-вбивцею. Сама
вишка не постраждала, оскільки була розрахована на максимально можливі висоти
хвиль (19,5 м) і істотно більш суворі погодні умови. Виявилося, що
ніхто з експертів не чекав появи такої великої хвилі при спостерігалася
значущою висоті хвиль менше 12 м.
Приклад
«Новорічної хвилі» ілюструє ненадійність діючих методик оцінки
безпеки щодо хвиль-убивць. Отримана запис (рис. 3) показує
деякі характерні риси цього природного явища. Спостерігалася хвиля була
вертикально асиметричною: висота гребеня 18,6 м істотно перевищувала глибину
западини (трохи більше 7 м). Ця хвиля була дещо коротший (довжина хвилі близько
220 м) і істотно крутіше, ніж середня хвилювання. На жаль, волномер НЕ
дозволяв визначити напрямок хвилі, але за повідомленнями очевидців, це
напрям суттєво відрізнялося від напрямку вітру. Ті ж візуальні
спостереження і математичне моделювання події показали, що ця хвиля була
короткоживучих, тобто її амплітуда була істотно вище фонового хвилювання на
відстані менше 1 км, тобто на масштабах 3-4 довжин хвиль [10]. Іншими словами,
така хвиля була особливо небезпечною для судів, оскільки часу на ухилення від
зустрічі з нею практично не було.
Фізичні механізми появи хвиль-убивць
Як
зазначалося вище, значні зусилля докладаються для того, щоб
удосконалити імовірнісні моделі появи хвиль-убивць і, таким чином,
поліпшити якість прогнозів їх появи. Основною робочою гіпотезою при цьому
є гіпотеза про істотно більшої ймовірності появи хвиль-убивць, ніж
це передбачається існуючими статистичними моделями. Виникає
природне запитання про можливі причини цієї підвищеної ймовірності, а
отже, про фізичні процеси, які ховаються за грізним природним явищем.
Зв'язок з певними фізичними процесами дозволяє пояснити деякі
характерні риси хвиль-вбивць: їх велику крутість, несподіванка появи і
тощо
Важливе
обставина, яка дозволяє виділити феномен хвиль-убивць в окрему
наукову та практичну тему і, відповідно, відокремити від інших явищ,
пов'язаних з хвилями аномально великої амплітуди (наприклад, цунамі), - поява
хвиль-убивць з «нізвідки». На відміну від цунамі, що виникають в результаті
підводних землетрусів і обвалів, поява хвиль-убивць не пов'язане з
катастрофічними геофізичними подіями. Ці хвилі можуть з'являтися при
малих вітрах і відносно слабкому хвилювання, що призводить до ідеї про те, що
саме явище хвиль-убивць пов'язано з особливостями динаміки самих морських хвиль і їх
трансформації при розповсюдженні в океані. Отже, питання про ймовірність
появи цих хвиль може бути сформульовано як питання про фізичні
механізми, що підвищують цю ймовірність. Закономірно виникає і наступний
питання - на які фізичні процеси утворення хвиль-убивць слід перш
за все звернути увагу?
Найпростіший
фізичний механізм формування хвиль-убивць може бути досліджено досить
просто в рамках лінійної теорії поверхневих хвиль. Лінійність завдання, в
зокрема, означає, що результатом збігу двох незалежних збурень
буде сума цих збурень (принцип лінійної суперпозиції). Поверхневі
хвилі (хвилі на воді) є диспергуючими хвилями, тобто швидкості їх
поширення залежать від їх періоду (довжини хвилі). У глибокому океані (довжина
хвилі багато менше його глибини) фазова швидкість З довжиною хвилі l дається
виразом:
З
= (G
